四种煤气化技术及其应用李琼玖,钟贻烈,廖宗富,漆长席,周述志,赵月兴(成都益盛环境工程科技公司,四川成都610012)摘要:介绍了4种煤气化工艺技术,包括壳牌工艺、德士古水煤浆气化工艺、恩德工艺、灰熔聚流化床气化工艺,对其技术特点、工艺流程、主要设备及应用实例进行了详细阐述,并对4种工艺进行了对比。
关键词:煤气化;壳牌工艺;德士古;恩德工艺;灰熔聚工艺;煤气炉中图分类号:TQ546文献标识码:A文章编号:1003-3467(2008)03-0004-04Four Coal Gasification Technologi es and Their Applicati onL I Q iong-ji u,ZHONG Y i-lie,LIAO Zong-fu,QI Chang-xi,ZHOU Shu-zhi,ZHAO Yue-xing(Chengdu Y i s heng Envir on m ent Eng i n eering Techo logy C o.Ltd,Chengdu610012,China) Abst ract:Four coal gasificati o n technologies,inc l u d i n g Shell techno logy,Texaco coa l-w ater sl u rry gasif-i cati o n,Enticknap pr ocess,ash agg l o m erati o n fl u i d ized bed gasification technology are intr oduced,and the technical features,technolog ical process,m ai n equipm ent and app lication exa m p le o f the four techno l o g i e s are descri b ed in detai.lK ey w ords:coal gasification;She ll techno logy;Texaco;Enticknap process;ash agglo m erati o n tech-nology;gas stove1壳牌粉煤气化制取甲醇合成气1.1壳牌工艺技术的特点壳牌煤气化过程(SCGP工艺)是在高温加压下进行的,是目前世界上最为先进的第FG代煤气化工艺之一。
按进料方式,壳牌煤气化属气流床气化,煤粉、氧气及蒸汽在加压条件下并流进入气化炉内,在极为短暂的时间内完成升温、挥发分脱除、裂解、燃烧及转化等一系列物理和化学过程。
一般认为,由于气化炉内温度很高,在有氧存在的条件下,碳、挥发分及部分反应产物(H2、CO等)以发生燃烧反应为主;在氧气消耗殆尽之后发生碳的各种转化反应,过程进入到气化反应阶段,最终形成以CO、H2为主要成分的煤气离开气化炉。
壳牌粉煤气化的技术特点:¹干煤粉进料,加压氮气输送,连续性好,气化操作稳定。
气化温度高,煤种适应性广,从无烟煤、烟煤、褐煤到石油焦均可气化,对煤的活性几乎没有要求,对煤的灰熔点范围比其它气化工艺更宽。
对于高灰分、高水分、含硫量高的煤种同样适应。
º气化温度约1400~1700e,碳转化率高达99%以上,产品气体相对洁净,不含重烃,甲烷含量极低,煤气中有效气体(CO+H2)高达90%以上。
»氧耗低,与水煤浆气化相比,氧气消耗低,因而与之配套的空分装置投资可减少。
¼单炉生产能力大,目前已投入运转的单炉气化压力为3MPa,日处理煤量已达2000t。
½气化炉采用水冷壁结构,无耐火砖衬里,维护量少,气化炉内无转动部件,运转周期长,无需备炉。
¾热效率高,煤中约83%的热能转化在合成气中,约15%的热能被回收为高压或中压蒸汽,总的热效率为98%左右。
¿气化炉高温排出的熔渣经激冷后成玻璃状颗粒,性质稳定,对环境几乎没有影响。
气化污水中含氰化合物少,容易处理,必要时可做到零排放,对环境保护十分有利。
À壳牌公司专利气化烧嘴可根据需要选择,气化压力2.5~4.0M Pa,设计保证寿命为8000h,荷兰De m ko lec电厂使用的烧嘴在近4年收稿日期:2007-10-13作者简介:李琼玖(1930-),男,教授级高级工程师、研究员,长期从事化工设计、建设、生产工程技术工作,主编5合成氨与碳一化学6、5醇醚燃料与化工产品链工程技术6专著,发表论文百余篇,电话:(028)86782889。
的运行中尚未更换过,累计运行时间超过7500h,这是气化装置长周期运行的又一重要保证。
Á气化操作采用先进的控制系统,其中包括壳牌公司专有的工艺计算机技术,设有必要的安全联锁及控制系统,使气化操作于最佳状态下进行。
1.2工艺流程目前,壳牌煤气化装置从示范装置到大型工业化装置均采用废锅流程,简略流程图见图1。
图1壳牌气化装置简略流程壳牌煤气化工艺(SC GP)是以干煤粉为原料,纯氧作为气化剂,液态排渣,属加压气流床气化工艺。
原煤先行破碎、研磨成煤粉并经干燥处理,再用氮气将送入贮罐内的煤粉与氧气和蒸汽一起送进气化炉的燃烧室。
上述过程中所使用的氧气和氮气均由同一套空气分离装置所产生。
喷入气化炉的煤粉、氧气和蒸汽是在高于气化压力0.5M Pa下通过对列式烧嘴进入炉膛,在气化炉内1400~1700e、3.5~ 4.0MPa的条件下发生化学反应。
高的气化温度确保煤中所含的灰分熔渣沿气化炉膜壁自由流下至气化炉底部,变成一种玻璃状不可沥滤的炉渣而排出。
这个温度亦防止有毒热解副产物的形成,并可以获得高的碳转化率(\99%),还确保了粗合成气基本上没有比甲烷重的有机组分。
气化炉顶的合成气(~1500e)用返回的粗合成气激冷至850~900e,然后进入合成气冷却器(即废热锅炉)作进一步冷却,气化炉内膜式水冷壁及废锅可同时产生高、中压蒸汽。
从气化炉出来的合成气中所携带的少量灰分颗粒在组合式陶瓷过滤器中分离除去,干灰进入灰锁斗,然后送往储仓,可作为水泥的配料。
干法除尘后合成气中含尘约为10@10-6,经水洗后含尘量为1@10-6。
离开气化工序的合成气中含有80%~83%的原煤能量,被称为冷煤气效率。
由气化炉和合成气冷却器产生的蒸汽含有另外的14%~16%的原煤能量。
煤炭中所含的硫、卤素及氮化合物在气化过程中生成气态的硫化物、卤素、分子态氮、痕量氰化氢。
氰化氢及硫氧化碳(COS)被催化转化为氨及硫化氢,卤素和氨经水洗塔洗涤除去。
水洗后的合成气送入后续工序。
在气化炉内气化产生的高温熔渣,自流入气化炉下部的渣池进行激冷,高温熔渣经激冷后形成数毫米大小的玻璃体,可作建筑材料或用于路基。
1.3主要设备壳牌煤气化装置的核心设备是气化炉和合成气冷却器。
壳牌煤气化炉主要由内筒和外筒两部分构成。
气化炉内筒上部为燃烧室,下部为激冷室,煤粉及氧气在燃烧室反应,温度为1600e左右。
为了避免高温、熔渣腐蚀及开停车产生应力对耐火材料的破坏而导致气化炉无法长周期运行,壳牌气化炉内筒采用水冷壁结构,仅在向火面有一层薄的耐火材料涂层,正常操作时依靠挂在水冷壁上的熔渣层保护金属水冷壁,气化炉内筒与外筒之间有空隙气层,内筒仅承受微小压差。
与其他气化炉不同,壳牌气化炉采用侧壁烧嘴,并且可根据气化炉能力由4~8个烧嘴中心对称分布。
壳牌煤气化炉包括膜式水冷壁、环形空间和压力外壳等,下部装有破渣机及锁渣罐,膜式水冷壁悬挂在压力壳体中。
¹膜式水冷壁:壳牌在阿姆斯特丹的实验气化炉内都有耐火衬里,但根据实际操作经验,壳牌认为即使最先进的耐火砖,在高温、高热负荷和熔渣不断侵蚀的环境下,也难以保证高强度和长寿命运行。
所以,确定在气化炉的高压壳体中安装用沸水冷却的膜式水冷壁(以下简称/膜式壁0),使工艺过程(即氧化反应)在有膜式壁围成的空腔内进行。
气化压力由外部的高压壳体承受,内件只承受压差,属低压设备。
膜式壁一方面提高了SCGP的效率,不需要外加蒸汽,并可副产中、高压蒸汽;同时也增强了工艺操作强度,但膜式壁增加了工程设计的难度和制造的复杂程度。
º环形空间:环形空间位于压力容器和膜式壁之间。
设计环形空间是为了容纳水/蒸汽的输出/输入管和集管,而且便于检查和维修。
环形空间的尺寸为800mm,膜式壁作为悬挂系统放在气化炉内,很好地解决了热补偿问题。
»压力壳体:壳牌煤气化炉的压力壳体采用标准化设计,可按一般压力容器标准进行设计制造,材料一般用低铬钢。
国内设计、国内制造时,可采用国内生产的15Cr M oR材料。
¼内件:为了确保材料能承受实际的工艺条件,又考虑易于制造和维修、便于安装和焊接,内件材料采用I N 625及D I N 1.7335,高速激冷器及激冷环采用I N 825。
½烧嘴:烧嘴的空气动力学设计和所产生的热量效果是SCGP 多年研究开发后确定的。
工程设计不仅要考虑喷嘴的基本机械设计要求,还要考虑制造上的要求。
烧嘴的可靠性和寿命不低于连续一年以上运转。
气化炉烧嘴安放在气化炉下部,对列式布置,数量一般为4~6个。
¾破渣机:壳牌原设计气化炉底部无破渣机,在生产操作过程中曾发生锁斗阀堵塞。
现增设破渣机,不会再出现大渣堵塞情况。
¿锁渣罐:与德士古煤气化炉一致。
合成气冷却器用于回收高温煤气的显热,既要承受高温高压,又要承受煤气中粉尘的冲涮,操作条件比较恶劣。
由于温差大,如何消除或减少热应力给设备带来的损害也是必须周密考虑的问题。
合成气冷却器的金属外筒为受压容器,承受的温度不高(设计温度约350e )。
内件由圆筒型水冷壁和若干层盘管型水冷壁组成,盘管型水冷壁各层之间密封分隔,为消除水冷壁上的积灰,废锅可根据需要设置若干数量的气动敲击除灰装置,定期或不定期进行振动除灰。
气化炉和合成气冷却器顶部用导气管连接,导气管内部也为水冷壁结构。
1.4 壳牌煤制甲醇设计大型工艺流程设备的组合单元。
60万t/a(120万t/a)生产单元方块流程详见图2。
图2 煤制甲醇60万t/a(120万t/a)生产单元方块流程产品规模:精甲醇60万t/a ;合成氨(利用弛放气)15万t/a ;大颗粒尿素26万t/a 。
原料及动力消耗:烟煤97.5万t/a ;电约3万k W #h;原水500m 3/h 。
煤制甲醇的组合单元技术:¹壳牌粉煤加压纯氧气化炭的利用率为99%,1台炉子生产60万t/a 甲醇合成气,CO +H 2甲醇合成气可满足配氢气生产120万t/a 甲醇,气化压力7M Pa 的合成气在等压下合成甲醇,免去复杂的合成气压缩机,并节省压缩所需动力。